DE112008002494B4 - Brennstoffzellensystem - Google Patents
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Abstract
Description
- Technisches Gebiet der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein Brennstoffzellensystem in welchem ein Ventil in jedem Durchflussweg zum Zuführen oder Auslassen von Oxidationsgas oder Brenngas zu oder von einem Brennstoffzellenstapel vorgesehen ist.
- Hintergrund der Erfindung
- Ein Ventil ist in jedem Durchflussweg zum Zuführen von Brenngas oder Oxidationsgas zu einer Brennstoffzelle und zum Auslassen des Brenngases oder Oxidationsgases von der Brennstoffzelle vorgesehen. Um einen Fehler bzw. ein Fehlverhalten dieser Ventile beim Öffnen zu erfassen, offenbart zum Beispiel die
JP 2004-95425 A - Ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist zudem aus der
DE 11 2008 000 547 T5 bekannt, die Stand der Technik nach §3(2) PatG darstellt. - Offenbarung der Erfindung
- Zu lösendes Problem
- Wie obenstehend beschrieben ist es unter Verwendung der Struktur der
JP 2004-95425 A JP 2004-95425 A JP 2004-95425 A - Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt im Bereitstellen eines Brennstoffzellensystems, in welchem ein Betriebsausfall bzw. Betriebsfehler eines Ventils, das an einem Durchflussweg vorgesehen ist, einfacher erfasst werden kann.
- Mittel zum Lösen des Problems
- Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, aufweisend: ein Oxidationsgaszuführventil, welches an einem Durchflussweg zum Zuführen von Oxidationsgas zu einem Brennstoffzellenstapel vorgesehen ist, ein Oxidationsgasauslassventil, das an einem Durchflussweg zum Auslassen von Oxidationsgas von dem Brennstoffzellenstapel vorgesehen ist, eine Druckerfassungseinheit, welche einen Kathodendruckwert erfasst, welcher ein Druck in einem Durchflussweg zwischen dem Oxidationsgaszuführventil und dem Oxidationsgasauslassventil ist und einen Oxidationsgasdurchflussweg im Brennstoffzellenstapel umfasst, einen Stopp-Prozessor, welcher das Oxidationsgaszuführventil und das Oxidationsgasauslassventil schließt, wenn ein Betrieb des Brennstoffzellenstapels gestoppt wird. Das Brennstoffzellensystem weist ferner auf: eine Beurteilungseinheit, welche einen Betriebsausfall bzw. einen Betriebsdefekt des Oxidationsgaszuführventils und des Oxidationsgasauslassventils basierend auf einem Stoppzeit-Kathodendruckwert beurteilt bzw. feststellt, wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels gestoppt wird, und einem Inbetriebnahme-Kathodendruckwert, wenn der Brennstoffzellenstapel wieder in Betrieb genommen wird, nachdem der Betrieb des Brennstoffzellenstapels gestoppt worden ist, wobei die Beurteilungseinheit die Betriebsdefektbeurteilung ausführt, wenn eine Zeitdauer von dem Zeitpunkt an, wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels gestoppt wird, bis zu dem Zeitpunkt, wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels wieder aufgenommen wird, nachdem der Betrieb des Brennstoffzellenstapels gestoppt worden ist, größer oder gleich einer gesamten Zeitdauer aus einer Zeitdauer ist, in welcher ein Kathodendruckwert aufgrund einer Reaktion des Brenngases, das von der Anodenseite zur Kathodenseite wandert, und des verbleibenden Sauerstoffs im Oxidationsgas auf der Kathodenseite reduziert wird, einer Zeitdauer, in welcher der Kathodendruckwert aufgrund des auf der Kathodenseite vorhandenen Brenngases, nachdem der verbleibende Sauerstoff im Oxidationsgas verbraucht ist, vorübergehend angehoben wird, und einer Zeitdauer, in welcher der Kathodendruckwert aufgrund einer Reduzierung von im Oxidationsgas verbleibendem Stickstoff reduziert wird.
- Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung beurteilt in dem Brennstoffzellensystem die Beurteilungseinheit bevorzugt, dass sich zumindest das Oxidationsgaszuführventil und/oder das Oxidationsgasauslassventil im Betriebsausfallzustand bzw. Betriebsdefektzustand befinden, wenn ein Wert, der durch Subtrahieren des Inbetriebnahme-Kathodendruckwertes von dem Stoppzeit-Kathodendruckwertes erhalten wird, kleiner oder gleich einem vorbestimmten Grenzwert ist.
- Vorteile
- Gemäß zumindest einer der obenstehend beschriebenen Konfigurationen weist das Brennstoffzellensystem eine Beurteilungseinheit auf, welche einen Betriebsausfall bzw. einen Betriebsfehler des Oxidationsgaszuführventils und des Oxidationsgasauslassventils basierend auf dem Stoppzeit-Kathodendruckwert beurteilt, wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels gestoppt wird, und auf dem Inbetriebnahme-Kathodendruckwert, wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels wieder aufgenommen wird, nachdem der Betrieb des Brennstoffzellenstapels gestoppt worden ist. Daher ist es möglich, den Betriebsausfall bzw. den Betriebsfehler des Ventils, das an dem Durchflussweg, durch welchen das Oxidationsgas fließt, vorgesehen ist, einfacher zu erfassen.
- Zusätzlich beurteilt die Beurteilungseinheit, dass sich das Oxidationsgaszuführventil und/oder das Oxidationsgasauslassventil im Betriebsausfallzustand befindet, wenn der Wert, der durch Subtrahieren des Inbetriebnahme-Kathodendruckwertes von dem Stoppzeit-Kathodendruckwert erhalten wird, kleiner oder gleich einem vorbestimmten Grenzwert ist. Daher ist es möglich, den Betriebsausfall bzw. den Betriebsfehler des Ventils, das an einem Durchflussweg vorgesehen ist, durch welchen das Oxidationsgas fließt, einfacher zu erfassen.
- Kurze Beschreibung der Figuren
-
1 zeigt ein Diagramm, das eine Struktur eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. -
2 zeigt ein Diagramm, das eine Veränderung bezüglich der Zeit eines Kathodendruckwertes darstellt, nachdem ein Betrieb des Brennstoffzellenstapels gestoppt wird, wobei der Kathodendruckwert entlang der Vertikalachse dargestellt wird und die Zeit entlang einer Horizontalachse. -
3 zeigt ein Flussdiagramm, das Verfahren zur Beurteilung von einem Betriebsausfall eines Oxidationsgaszuführabstellventils und eines Oxidationsgasauslassabstellventils, die an Durchflusswegen in einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sind, darstellt. - Bezugszeichenliste
-
- 10
- Brennstoffzellensystem;
- 12, 14
- Kathodendruckkennlinie;
- 20
- Brennstoffzellenkörper;
- 21
- Anodendruckmessvorrichtung;
- 22
- Brennstoffzellenstapel;
- 23
- Kathodendruckmessvorrichtung;
- 24
- Befeuchter;
- 26
- Brenngastank;
- 28
- Verdünner;
- 30
- Steuerung;
- 32
- Oxidationsgaszuführabstellventil bzw. Oxidationsgaszuführventil;
- 34
- Oxidationsgasauslassabstellventil bzw. Oxidationsgasauslassventil;
- 35
- Oxidationsgas-Befeuchter-Bypassdurchflussweg;
- 36
- Oxidationsgas-Befeuchter-Bypassabstellventil;
- 37
- Oxidationsgas-Zuführseite-Durchflussweg;
- 38
- Oxidationsgasweg;
- 39
- Oxidationsgas-Auslassseite-Durchflussweg;
- 40
- Oxidationsgasquelle;
- 45
- Druckeinstellventil;
- 46
- Regler;
- 47
- Durchflussweiche;
- 48
- Auslassventil;
- 49
- Zirkulationsdruckerhöhungsvorrichtung;
- 50
- Elektromagnetische-Ventil-Speicherbox;
- 74, 76
- Elektromagnetisches Ventil;
- 101
- BZ-Systemsteueranweisung-Aufnahmemodul;
- 102
- BZ-Systeminbetriebnahmemodul;
- 103
- BZ-Systembetriebsmodul;
- 104
- BZ-Systemstoppmodul;
- 106
- Kathodendruckmessmodul;
- 108
- Vergangene-Zeit-Beurteilungsmodul;
- 109
- Betriebsausfallbeurteilungsmodul;
- 110
- Speicher;
- 130
- Benachrichtigungsvorrichtung;
- 140
- Vergangene-Zeit-Messvorrichtung;
- 150
- Steueranweisung-Aufnahmeeinheit.
- Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
- Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anschließend im Detail bezüglich der Figuren beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, in welchem ein Abstellventil, welches unter Verwendung eines Gasdrucks gesteuert wird, an einem Durchflussweg an einer Kathodenseite der Brennstoffzelle vorgesehen ist, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt ist, und das Abstellventil auch an einer Durchflussseite an der Anodenseite vorgesehen sein kann. Zusätzlich wird in der folgenden Beschreibung ein Brennstoffzellensystem mit Ventilen beschrieben, die an den Durchflusswegen vorgesehen sind und Abstellventile sind, welche unter Verwendung eines Gasdrucks gesteuert werden, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt ist, und auch andere Ventile, wie z. B. ein elektromagnetisches Ventil, welches elektrisch gesteuert wird, alternativ verwendet werden kann.
-
1 zeigt ein Diagramm, dass eine Struktur eines Brennstoffzellensystems10 darstellt. Das Brennstoffzellensystem10 weist einen Brennstoffzellenkörper20 und eine Steuerung30 auf. Das Brennstoffzellensystem10 weist einen Brennstoffzellenstapel22 auf, in welchem eine Mehrzahl von Brennstoffbatteriezellen gestapelt ist, Elemente zum Zuführen von Brenngas, die an der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels22 platziert sind, und Elemente zum Zuführen von Oxidationsgas, die an der Kathodenseite platziert sind. - Der Brennstoffzellenstapel
22 ist ein Batterie-Pack, in welchem eine Mehrzahl von Einheitszellen gestapelt ist, wobei die Einheitszelle durch Platzieren von Separatoren an beiden Enden einer MEA (Membranelektrodenanordnung), in welcher Katalysator-Elektrodenschichten an beiden Seiten einer Elektrolytmembran platziert sind, erhalten wird, und die MEA über die Seperatoren „sandwichartig” aufnehmen. Der Brennstoffzellenstapel22 hat die Funktion, das Brenngas, wie z. B. Wasserstoff, der Anodenseite zuzuführen; Oxidationsgas einschließlich Sauerstoff, wie z. B. Luft, der Kathodenseite zuzuführen; Leistung durch bzw. über eine elektrochemische Reaktion durch die Elektrolytmembran zu erzeugen; und eine erforderliche Leistung zu gewinnen. - Ein Brenngastank
26 an der Anodenseite ist eine Wasserstoffgasquelle und führt Wasserstoff als Brenngas zu. Ein Regler46 , der mit dem Brenngastank26 verbunden ist, hat eine Funktion, das Gas vom Brenngastank26 , welcher die Wasserstoffgasquelle ist, auf einen passenden Druck und eine passende Durchflussrate einzustellen. Eine Anodendruckmessvorrichtung21 , die am Ausgabeausgang des Reglers46 vorgesehen ist, ist eine Messvorrichtung, welche einen Druck von zugeführtem Wasserstoff erfasst. Der Ausgabeausgang des Reglers46 ist mit dem anodenseitigen Eingang des Brennstoffzellenstapels22 verbunden, und das Brenngas, dessen Druck und Durchflussrate passend eingestellt ist, wird dem Brennstoffzellenstapel22 zugeführt. - Eine Durchflussweiche
47 , die mit einem anodenseitigen Ausgang des Brennstoffzellenstapels22 verbunden ist, ist zum Zuführen von Auslassgas durch ein Auslassventil48 zu einem Verdünner28 vorgesehen, wenn die Konzentration des Verunreinigungsgases bzw. des verunreinigten Gases im Auslassgas vom anodenseitigen Ausgang erhöht wird. Darüber hinaus ist eine Zirkulationsdruckerhöhungsvorrichtung49 , die stromabwärts der Durchflussweiche47 und vor dem anodenseitigen Eingang vorgesehen ist, eine Wasserstoffpumpe, mit einer Funktion, den Partialdruck des Wasserstoffs des Gases, das vom anodenseitigen Ausgang zurückkehrt, erhöht, um das Gas zum anodenseitigen Eingang zurückzuführen, und somit das Gas wieder zu verwenden. - Für eine Oxidationsgasquelle
40 an der Kathodenseite kann in der Praxis Umgebungsluft verwendet werden. Die Umgebungsluft, welche die Oxidationsgasquelle40 ist, wird durch einen Filter zu einem Luftkompressor (ACP, englisch: air compressor)42 zugeführt. Der ACP42 ist eine Druckerhöhungsvorrichtung, welche das Oxidationsgas mit einem Motor im Volumen verdichtet, und somit den Druck des Oxidationsgases erhöht. - Der Befeuchter
24 hat eine Funktion, das Oxidationsgas für eine effiziente Brennstoffzellenreaktion im Brennstoffzellenstapel22 angemessen bzw. geeignet zu befeuchten. Das Oxidationsgas, welches durch den Befeuchter24 angemessen befeuchtet wird, wird dem kathodenseitigen Eingang des Brennstoffzellenstapels22 zugeführt, und aus dem kathodenseitigen Ausgang ausgelassen. Da die Temperatur des Brennstoffzellenstapels22 aufgrund der Brennstoffzellenreaktion ansteigt, liegt das Auslasswasser in Wasserdampfform vor, wobei der Wasserdampf zu dem Befeuchter24 zurückgeführt wird, so dass das Oxidationsgas angemessen befeuchtet werden kann. - Ein Druckmessgerät, das stromabwärts des Ausgangs des Brennstoffzellenstapels
22 in einem Oxidationsgas-Auslassseite-Durchflussweg39 vorgesehen ist, kann als Kathodendruckmessvorrichtung23 bezeichnet werden. Die Kathodendruckmessvorrichtung23 ist eine Druckerfassungseinheit, welche einen Druck eines Durchflussweges zwischen einem Oxidationsgaszuführabstellventil bzw. Oxidationsgaszuführventil32 und einem Oxidationsgasauslassabstellventil bzw. Oxidationsgasauslassventil34 , welche später beschrieben werden, erfasst. - Ein Druckeinstellventil
45 , das stromabwärts der Kathodendruckmessvorrichtung23 vorgesehen ist, wird auch als Gegendruckventil bezeichnet, und hat eine Funktion, einen Gasdruck an dem kathodenseitigen Ausgang einzustellen, und die Durchflussrate des Oxidationsgases zum Brennstoffzellenstapel22 einzustellen. Ein Ausgabeausgang des Druckeinstellventils45 ist mit einem Befeuchter24 verbunden, wodurch das Gas in den Verdünner28 eintritt, nachdem das Gas, das aus dem Druckeinstellventil45 austritt, dem Befeuchter24 Wasserdampf zuführt, wobei dieses Gas anschließend an die Umgebung ausgelassen wird. - Der Verdünner
28 ist ein Zwischenspeicher zum Ansammeln von Wasserstoff vom Auslassventil48 an der Anodenseite, in welchem ein Verunreinigungsgas und ein Wassergehalt bzw. Wasserdampf vermischt werden, und feucht-vermischtem Wasserdampf, der von der Kathodenseite durch die MEA austritt, und Auslassen desselben an die Umgebung mit einer passenden bzw. geeigneten Wasserstoffkonzentration. - Das Oxidationsgaszuführabstellventil
32 , das zwischen dem Befeuchter24 und dem Brennstoffzellenstapel22 in einem Oxidationsgas-Zuführseite-Durchflussweg37 verbunden und vorgesehen ist, ist ein Öffnen/Schließen-Ventil, welches normalerweise geöffnet ist, und geschlossen, wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels22 gestoppt wird oder dergleichen. Der Oxidationsgas-Zuführseite-Durchflussweg37 wird geschlossen, um das Zuführen des Oxidationsgases zu stoppen, wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels22 gestoppt wird, um eine Oxidation oder dergleichen der Katalysatorschicht, die im Brennstoffzellenstapel22 enthalten ist, zu verhindern bzw. zu hemmen. - Außerdem ist das Oxidationsgasauslassabstellventil
34 , das zwischen dem Brennstoffzellenstapel22 und dem Befeuchter24 ; insbesondere zwischen dem Druckeinstellventil45 und dem Befeuchter24 im Oxidationsgas-Auslassseite-Durchflussweg39 verbunden und vorgesehen ist, ein Öffnen/Schließen-Ventil, welches normalerweise geöffnet ist, und geschlossen, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems10 gestoppt wird oder dergleichen, ähnlich dem Oxidationsgaszuführabstellventil32 . - Zusätzlich ist ein Oxidationsgas-Befeuchter-Bypassdurchflussweg
35 im Oxidationsgas-Zuführseite-Durchflussweg37 vorgesehen, der am Befeuchter24 vorbei fließt, und parallel zum Durchflussweg durch das Oxidationsgaszuführabstellventil32 verläuft. Ein Oxidationsgas-Befeuchter-Bypassabstellventil36 , das am Oxidationsgas-Befeuchter-Bypassdurchflussweg35 platziert und mit diesem verbunden ist, ist ein Öffnen/Schließen-Ventil, welches normalerweise geschlossen ist, bei Bedarf allerdings auch geöffnet. - Das Oxidationsgaszuführabstellventil
32 , das Oxidationsgasauslassabstellventil34 und das Oxidationsgas-Befeuchter-Bypassabstellventil36 unterscheiden sich darin, dass die ersten zwei Ventile sich normalerweise in einem geöffneten Zustand befinden, wobei sich das Oxidationsgas-Befeuchter-Bypassabstellventil36 normalerweise in einem geschlossenen Zustand befindet, wobei die Strukturen bzw. der Aufbau im allgemeinen identisch ist. Das Oxidationsgaszuführabstellventil32 , das Oxidationsgasauslassabstellventil34 als auch das Oxidationsgas-Befeuchter-Bypassabstellventil36 ist ein flüssigkeitsgesteuertes Ventil mit einem beweglichen Element wie z. B. einem Kolben, welcher gemäß einem Innendruck einer Druckkammer arbeitet. - Zum Beispiel hat das Oxidationsgaszuführabstellventil
32 einen Schacht, in welchem das bewegliche Element wie z. B. der Kolben nach hinten und nach vorne bewegt werden kann; wobei die Eingangsseite des Schachts mit dem Oxidationsgas-Zuführseite-Durchflussweg37 an der Seite nahe zum Befeuchter24 verbunden ist, und die Ausgangsseite des Schachts mit dem Oxidationsgas-Zuführseite-Durchflussweg37 an der Seite nahe dem Brennstoffzellenstapel22 verbunden ist. Wenn der Innendruck der Druckkammer verändert wird und das bewegliche Element in den Schacht eintritt, wird der Schacht im Oxidationsgaszuführabstellventil geschlossen, und der Durchfluss des Oxidationsgases blockiert. Auf diese Weise ist es möglich, durch Steuern des Innendrucks der Druckkammer das bewegliche Element nach vorne und nach hinten zu bewegen; d. h., den Durchfluss des Oxidationsgases im Oxidationsgas-Zuführseite-Durchflussweg37 wie erforderlich zu schließen bzw. zu unterbrechen. - Eine Magnetische-Ventilspeicherbox
50 ist eine Box, welche elektromagnetische Ventile74 und76 zum Steuern einer Bereitstellung eines Arbeitsfluids für das Oxidationsgaszuführabstellventil32 , das Oxidationsgasauslassabstellventil34 und das Oxidationsgas-Befeuchter-Bypassabstellventil36 kollektiv speichert bzw. aufnimmt. Für das Oxidationsgaszuführabstellventil32 , das Oxidationsgasauslassabstellventil34 als auch das Oxidationsgas-Befeuchter-Bypassabstellventil36 werden das elektromagnetische Ventil74 , welches ein Drei-Wege-Ventil ist, und das elektromagnetische Ventil76 , welches aus zwei Zwei-Wege-Ventilen besteht, verwendet, um den Innendruck der Druckkammer des Oxidationsgaszuführabstellventils32 , des Oxidationsgasauslassabstellventils34 , und des Oxidationsgas-Befeuchter-Bypassabstellventils36 zu steuern. - Eine Vergangene-Zeit-Messvorrichtung
140 ist eine Messvorrichtung, welche mit einer Steuerung30 verbunden ist und welche eine vergangene Zeitdauer von dem Zeitpunkt, wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels22 gestoppt wird, bis zu dem Zeitpunkt, wenn der Brennstoffzellenstapel22 erneut gestartet wird, nachdem der Betrieb gestoppt worden ist, misst. Die Vergangene-Zeit-Messvorrichtung140 kann z. B. aus einer Zählschaltung oder dergleichen hergestellt sein. - Die Steueranweisung-Aufnahmeeinheit
150 ist mit der Steuerung30 verbunden und hat eine Funktion, eine Inbetriebnahmeanweisung des Brennstoffzellenstapels22 und eine Betriebsstoppanweisung des Brennstoffzellensstapels22 , welche von Außen zugeführt bzw. übertragen werden, zu erhalten. - Eine Benachrichtigungsvorrichtung
130 ist eine Vorrichtung, welche mit der Steuerung30 verbunden ist und den Nutzer bzw. den Anwender oder dergleichen über den Betriebsausfalls (Fehlfunktion bzw. Fehler) des Oxidationsgaszuführabstellventils bzw. Oxidationsgaszuführventils32 und des Oxidationsgasauslassabstellventils bzw. Oxidationsgasauslassventils34 im Brennstoffzellensystem10 benachrichtigt. Die Benachrichtigungsvorrichtung130 ist nahe einem Lenkrad platziert, das bei einem Fahrersitz vorgesehen ist. - Die Steuerung
30 umfasst eine CPU100 und einen Speicher110 . Die Steuerung30 hat eine Funktion, den gesamten Betrieb des Brennstoffzellenkörpers20 zu steuern und den Betriebsausfall der Ventile, die im Brennstoffzellenkörper20 vorgesehen sind, zu beurteilen. Die Steuerung30 ist aus einem Computer ausgebildet, welcher für eine Brennstoffzelle angepasst ist. - Die CPU
100 umfasst ein BZ-Systemsteueranweisung-Aufnahmemodul101 , ein BZ-Systeminbetriebnahmemodul102 , ein BZ-Systembetriebsmodul103 , ein BZ-Systemstoppmodul104 , ein Kathodendruckmessmodul106 , ein Vergangene-Zeit-Beurteilungsmodul108 , und ein Betriebsausfallbeurteilungsmodul109 . Diese Funktionen können durch Ausführen einer Software realisiert werden, und insbesondere durch Ausführen eines Abstellventil-Betriebsausfall-Beurteilungsprogramms, das im Speicher110 gespeichert ist. Alternativ kann ein Teil oder auch alle dieser Funktionen durch Hardware realisiert werden. Der Speicher110 ist eine Speichervorrichtung, welche das Abstellventil-Betriebsausfall-Beurteilungsprogramm und darüber hinaus auch weitere notwendige Informationen speichert. - Das BZ-Systemsteueranweisung-Aufnahmemodul
101 hat eine Funktion, zu beurteilen, ob die Anweisung, die durch die Steueranweisung-Aufnahmeeinheit150 erhalten wird, eine Inbetriebnahmeanweisung des Brennstoffzellenstapels22 oder eine Betriebsstoppanweisung des Brennstoffzellenstapels22 ist. - Das BZ-Systeminbetriebnahmemodul
102 hat eine Funktion, die Inbetriebnahmeanweisung des Brennstoffzellenstapels22 zu empfangen bzw. aufzunehmen, und eine Inbetriebnahmesteuerung des Brennstoffzellenstapels22 auszuführen. Das BZ-Systeminbetriebnahmemodul102 hat zudem eine Funktion, eine Steuerung auszuführen, um das Oxidationsgaszuführabstellventil32 und das Oxidationsgasauslassabstellventil34 während der Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels22 zu öffnen. - Das BZ-Systembetriebsmodul
103 hat eine Funktion, eine Betriebssteuerung des Brennstoffzellenstapels22 auszuführen, nachdem das BZ-Systeminbetriebnahmemodul102 den Betrieb des Brennstoffzellenstapels22 gestartet hat. - Das BZ-Systemstoppmodul
104 hat eine Funktion, die Betriebsstoppanweisung des Brennstoffzellenstapels22 aufzunehmen und eine Steuerung auszuführen um den Betrieb des Brennstoffzellenstapels22 zu stoppen. Zusätzlich hat das BZ-Systemstoppmodul104 eine Funktion, eine Steuerung auszuführen, um das Oxidationsgaszuführabstellventil32 und das Oxidationsgasauslassabstellventil34 während des Stoppens des Betriebs des Brennstoffzellenstapels22 zu schließen. - Wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels
22 gestoppt wird, misst das Kathodendruckmessmodul106 mittels der Kathodendruckmessvorrichtung23 den Druckwert des Oxidationsgaswegs38 im Brennstoffzellenstapel22 und speichert den Stoppzeit-Kathodendruckwert im Speicher110 . Das Kathodendruckmessmodul106 misst außerdem mittels der Kathodendruckmessvorrichtung23 den Druckwert des Oxidationsgaswegs38 , wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels22 wieder gestartet wird, nachdem der Betrieb des Brennstoffzellenstapels22 gestoppt worden ist, und speichert den Inbetriebnahme-Kathodendruckwert im Speicher110 . - Das Vergangene-Zeit-Beurteilungsmodul
108 hat eine Funktion, zu beurteilen, ob die Zeitdauer, die durch die Vergangene-Zeit-Messvorrichtung140 gemessen wird in eine Beurteilungsverbietungsdauer, die später beschrieben wird (z. B. 20 Minuten nachdem der Betrieb des Brennstoffzellenstapels22 gestoppt wird), fällt oder nicht. - Das Betriebsausfallbeurteilungsmodul
109 hat eine Funktion, den Betriebsausfall bzw. den Betriebsfehler des Oxidationsgaszuführabstellventils32 und des Oxidationsgasauslassabstellventils34 zu beurteilen. Genauer gesagt nimmt das Betriebsausfallbeurteilungsmodul109 vom Speicher110 zwei Kathodendruckwerte auf; d. h. den Stoppzeit-Kathodendruckwert, wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels22 gestoppt wird und den Inbetriebnahme-Kathodendruckwert, wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels22 wieder gestartet wird, und vergleicht die zwei Kathodendruckwerte, um den Betriebsausfall bzw. Betriebsfehler des Oxidationsgaszuführabstellventils32 und des Oxidationsgasauslassabstellventils34 zu beurteilen. Das Betriebsausfallbeurteilungsmodul109 benachrichtigt den Nutzer bzw. Anwender oder dergleichen über die Benachrichtigungsvorrichtung130 . -
2 zeigt ein Diagramm, das eine Veränderung bezüglich der Zeit des Kathodendruckwertes darstellt, nachdem der Betrieb des Brennstoffzellenstapels22 gestoppt wird, wobei der Kathodendruckwert entlang einer Vertikalachse aufgetragen wird und die Zeit entlang einer Horizontalachse.2 stellt eine Kathodendruckkennlinie12 dar, welche eine normale Veränderung des Kathodendruckwertes darstellt, und eine Kathodendruckkennlinie14 , welche eine anomale bzw. ungewöhnliche Veränderung des Kathodendruckwertes darstellt. Hierbei werden während des Stoppens des Betriebs des Brennstoffzellenstapels22 das Oxidationsgaszuführabstellventil32 und das Oxidationsgasauslassabstellventil34 geschlossen, wenn das Brennstoffzellensystem10 gestoppt wird. In diesem Zustand kann das Zuführen von Oxidationsgas zum Brennstoffzellenstapel22 gestoppt werden, wobei das Oxidationsgas (Sauerstoff und Stickstoff) noch im Brennstoffzellenstapel22 verbleibt. Daher hat sofort nachdem der Betrieb des Brennstoffzellenstapels22 gestoppt wird der Kathodendruckwert einen Initialwert bzw. Anfangswert wie in2 dargestellt. - Eine der Linien bzw. einer der Graphen, die Kathodendruckkennlinie
12 , ist ein Graph, der einen Zustand darstellt, in dem kein Öffnungsfehler auftritt, welcher eine Form eines Betriebsfehlers im Oxidationsgaszuführabstellventil32 und im Oxidationsgasauslassabstellventil34 ist, wobei sich der Kathodendruckwert mit der Zeit normal verändert. Die Veränderung bezüglich der Zeit des Kathodendruckwertes auf der Kathodendruckkennlinie12 kann in drei verschiedene Perioden bzw. Dauern, d. h. Dauer a, Dauer b und Dauer c, unterteilt bzw. beschrieben werden. Anschließend werden Dauer a, Dauer b und Dauer c detailliert beschrieben. Hierbei betrifft der Öffnungsfehler einen Zustand, in dem das Ventil, das am Durchflussweg vorgesehen ist, sich im geöffneten Zustand befindet, obwohl das Ventil geschlossen sein sollte. Wenn das Oxidationsgas-Befeuchter-Bypassabstellventil36 den Öffnungsfehler aufweist, wäre die Veränderung bezüglich der Zeit des Kathodendruckwertes des Brennstoffzellenstapels22 ähnlich der Veränderung bezüglich der Zeit, die durch die Kathodendruckkennlinie14 , die später zu beschreiben ist, dargestellt wird. Zum Zwecke dieser Beschreibung wird angenommen, dass es keinen Öffnungsfehler im Oxidationsgas-Befeuchter-Bypassabstellventil36 gibt. Zusätzlich wird nachfolgend angenommen, dass der Betriebsdefekt ein Öffnungsfehler ist, solange kein anderer Defekt besonders identifiziert bzw. gekennzeichnet wird. - In bzw. während der Dauer a wandert der in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels
22 verbleibende Wasserstoff von der Anodenseite zur Kathodenseite, und reagiert mit Sauerstoff, welcher auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels22 verbleibt. Somit werden der Betrag bzw. die Menge von Sauerstoff in der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels22 als auch der Kathodendruckwert reduziert. - In bzw. während der Dauer b, nachdem ein Großteil des in der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels
22 verbleibenden Sauerstoffs verbraucht ist, existiert kaum noch Sauerstoff, welcher mit Wasserstoff, der von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels22 zur Kathodenseite wandert, reagieren kann. Somit wird der Kathodendruck vorübergehend erhöht, da es Wasserstoff gibt, der nicht reagieren kann. - In bzw. während der Dauer c, da der in der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels
22 verbleibende Stickstoff eine niedrigere Permeationsgeschwindigkeit als Wasserstoff hat, wandert der Stickstoff langsam von der Kathodenseite zur Anodenseite. Somit wird der Druck der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels22 reduziert, da auch die Menge von Stickstoff reduziert wird. - Wie in
2 dargestellt wird der Kathodendruck während der Dauern a und b vorübergehend reduziert und anschließend vorübergehend erhöht. Daher, falls der Betrieb des Brennstoffzellenstapels22 wieder gestartet wird, der Kathodendruckwert gemessen wird, und der Stoppzeit-Kathodendruckwert und der Inbetriebnahme-Kathodendruckwert während dieser Dauer verglichen werden, besteht die Möglichkeit bzw. Gefahr einer fehlerhaften Beurteilung bezüglich des Betriebsdefekts des Oxidationsgaszuführabstellventils bzw. Oxidationsgaszuführventils32 und des Oxidationsgasauslassabstellventils bzw. Oxidationsgasauslassventils34 . Somit werden diese Dauern a und b als Beurteilungsverbietungsdauern (z. B. Zeitdauern von 20 Minuten vom Stoppen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels22 an) bezeichnet, wobei es möglich ist, eine Konfiguration bereitzustellen, in welcher die Beurteilung des Oxidationsgaszuführabstellventils32 und des Oxidationsgasauslassabstellventils34 nicht ausgeführt wird, wenn der Brennstoffzellenstapel22 während dieser Beurteilungsverbietungsdauer wieder gestartet wird. Nachdem die Dauer c begonnen hat, ist der Unterschied zwischen den zwei Kathodendruckwerten groß genug, wodurch eine fehlerhafte Beurteilung bezüglich der Beurteilung des Betriebsdefekts des Oxidationsgaszuführabstellventils32 und des Oxidationsgasauslassabstellventils34 verhindert bzw. gehemmt werden kann. Zusätzlich kann, bevorzugt, um ausreichend Zeit zum Reduzieren der Möglichkeit bzw. Gefahr einer fehlerhaften Beurteilung zu gewährleisten z. B. die Beurteilung ausgeführt werden, wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels22 wieder gestartet wird, z. b. nach zwei Stunden oder länger (Dauer d in2 ), nachdem der Betrieb des Brennstoffzellenstapels22 gestoppt wird. - Die andere Kennlinie, die Kathodendruckkennlinie
14 , ist eine Kennlinie, welche einen Fall darstellt, in welchem es einen Betriebsdefekt in dem Oxidationsgaszuführabstellventil und/oder dem Oxidationsgasauslassabstellventil34 gibt, und sich der Kathodendruckwert nicht auf normale Weise bezüglich der Zeit verändert. In der Kathodendruckkennlinie14 wandert auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels22 verbleibender Wasserstoff von der Anodenseite zur Kathodenseite, und reagiert mit auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels22 verbleibendem Sauerstoff, wodurch die Wasserstoffmenge auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels22 reduziert wird. Da jedoch Oxidationsgas neu durch das Oxidationsgaszuführabstellventil32 und/oder das Oxidationsgasauslassabstellventil34 , welche sich im Betriebsdefekt-Zustand befinden, zugeführt wird, wird der Zustand, in dem sich der Kathodendruckwert nicht signifikant verändert, fortgeführt. - Ein Betrieb der obenstehend beschriebenen Struktur wird anschließend bezüglich der Figuren beschrieben.
3 zeigt ein Flussdiagramm, das Schritte einer Beurteilung eines Betriebsdefekts des Oxidationsgaszuführabstellventils32 und des Oxidationsgasauslassabstellventils34 , welche an Durchflusswegen im Brennstoffzellensystem10 vorgesehen sind, darstellt. Die Schritte entsprechen den Schritten von Prozessen bzw. Verfahren des Abstellventil-Betriebsdefektbeurteilungsprogramms. Der Betrieb wird auch bezüglich der Bezugszeichen von1 und2 beschrieben. - Wenn das Abstellventil-Betriebsdefektprogramm gestartet wird, wird zuerst beurteilt, ob eine Anweisung, die durch die Steueranweisung-Aufnahmeeinheit
150 aufgenommen wird, eine Anweisung ist, den Betrieb des Brennstoffzellenstapels22 zu stoppen oder nicht (S10). Wenn beurteilt wird, dass die Anweisung keine Anweisung zum Stoppen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels22 ist, kehrt der Prozessablauf zu S10 zurück, nachdem eine vorbestimmte Zeit vergangen ist. Diese Funktion wird durch die Funktion des BZ-System-Steueranweisung-Aufnahmemoduls101 der CPU100 ausgeführt. - Wenn beurteilt wird, dass die Anweisung die Anweisung ist, den Betrieb des Brennstoffzellenstapels
22 zu stoppen, wird eine Steuerung ausgeführt, das Oxidationsgaszuführabstellventil32 und das Oxidationsgasauslassabstellventil34 zu schließen (S12). Diese Funktion wird durch die Funktion des BZ-Systemstoppmoduls104 der CPU100 ausgeführt. Anschließend schreitet der Prozessablauf von S12 zu S14 voran. - Wenn anschließend der Brennstoffzellenstapel
22 bzw. dessen Betrieb gestoppt wird, wird der Druckwert des Oxidationsgasweges38 im Brennstoffzellenstapel22 mittels der Kathodendruckmessvorrichtung23 gemessen, und der Stoppzeit-Kathodendruckwert im Speicher110 gespeichert (S14). Diese Funktion wird durch die Funktion des Kathodendruckmessmoduls106 der CPU100 ausgeführt. Der Prozessablauf schreitet anschließend von S14 zu S16 voran. - Es wird beurteilt, ob eine Anweisung, die durch die Steueranweisung-Aufnahmeeinheit
150 aufgenommen wird, eine Anweisung ist, den Brennstoffzellenstapel22 bzw. dessen Betrieb wieder zu starten oder nicht (S16). Wenn beurteilt wird, dass die Anweisung keine Neustartanweisung für den Brennstoffzellenstapel22 ist, kehrt der Prozessablauf zu S16 zurück, nachdem eine vorbestimmte Zeit vergangen ist. Diese Funktion wird durch die Funktion des BZ-System-Steueranweisung-Aufnahmemoduls101 der CPU100 ausgeführt. - Wenn beurteilt wird, dass die Anweisung die Neustartanweisung bzw. Inbetriebnahmeanweisung des Brennstoffzellenstapels
22 ist, wird beurteilt, ob die Zeitdauer, die durch die Vergangene-Zeit-Messvorrichtung140 gemessen wird, die Beurteilungsverbietungsdauer überschreitet (S18). Wenn beurteilt wird, dass die Beurteilungsverbietungsdauer nicht überschritten wird, schreitet der Prozess bzw. das Verfahren zu einem ENDE-Prozess voran, welcher ein Abschlussprozess des Programms ist. Wenn hingegen beurteilt wird, dass die Beurteilungsverbietungsdauer überschritten wird, schreitet der Prozessablauf zu S20 voran. Diese Funktion wird durch die Funktion des Vergangene-Zeit-Beurteilungsmoduls108 der CPU100 ausgeführt. - Während des Neustarts des Brennstoffzellenstapels
22 wird der Druckwert des Oxidationsgasweges38 im Brennstoffzellenstapel22 durch die Kathodendruckmessvorrichtung23 gemessen, wobei der Neustart-Kathodendruckwert im Speicher110 gespeichert wird (S20). Diese Funktion wird durch die Funktion des Kathodendruckmessmoduls106 der CPU100 ausgeführt. Der Prozessablauf schreitet anschließend von S20 zu S22 voran. - Es wird beurteilt, ob ein Wert, der durch Subtrahieren des Neustartkathodendruckwertes zum Neustart des Brennstoffzellenstapels
22 , vom Stoppzeit-Kathodendruckwert beim Stoppen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels22 erhalten bzw. aufgenommen wird kleiner oder gleich 10 kPa ist oder nicht (S22). Wenn die Differenz zwischen den zwei Kathodendruckwerten kleiner oder gleich 10 kPa ist, wird beurteilt, dass das Oxidationsgaszuführabstellventil32 und/oder das Oxidationsgasauslassabstellventil34 zwischen bzw. unter dem Oxidationsgaszuführabstellventil32 und dem Oxidationsgasauslassabstellventil34 sich in einem Betriebsdefektzustand befindet, wobei eine Benachrichtigung zum Nutzer bzw. Anwender durch die Benachrichtigungsvorrichtung130 gesendet wird, und den Anwender somit benachrichtigt, dass sich das Oxidationsgaszuführabstellventil32 und/oder das Oxidationsgasauslassabstellventil34 im Betriebsdefektzustand befindet (S24). Wenn die Differenz zwischen den zwei Kathodendruckwerten größer oder gleich 10 kPa ist, schreitet der Verfahrensablauf zum ENDE-Prozess voran, welcher den Abschluss des Prozesses des Programms darstellt. Diese Funktion wird durch ein Betriebsdefektbeurteilungsmodul109 der CPU100 ausgeführt. - Daher ist es wie obenstehend beschrieben durch beurteilen, ob ein Wert, der durch Subtrahieren des Inbetriebnahme-Kathodendruckwertes zum Neustart des Brennstoffzellenstapels
22 vom Stoppzeit-Kathodendruckwert beim Stoppen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels22 erhalten wird, kleiner oder gleich einem vorbestimmten Grenzwert (hier: 10 kPa) ist oder nicht, möglich, den Betriebsdefekt des Oxidationsgaszuführabstellventils32 und des Oxidationsgasauslassabstellventils34 zu erfassen, und den Nutzer bzw. Anwender über das Ergebnis zu benachrichtigen. Wenn das Oxidationsgas-Befeuchter-Bypassabstellventil36 sich auch im Betriebsdefektzustand befindet, stellt der Kathodendruckwert jedoch wie obenstehend beschrieben die Veränderung bezüglich der Zeit ähnlich der Kathodendruckkennlinie14 dar. Daher wird der Wert, der durch Subtrahieren des Inbetriebnahme-Kathodendruckwertes während des Neustarts des Brennstoffzellenstapels22 vom Stoppzeit-Kathodendruckwert beim Stoppen des Betriebs des Brennstoffzellenstapels22 erhalten wird kleiner oder gleich einem vorbestimmten Grenzwert. Daher ist es möglich, auch den Betriebsdefekt des Oxidationsgas-Befeuchter-Bypassabstellventils36 zu erfassen. - Alternativ ist es anstelle der Konfiguration, den Betriebsdefekt sofort zu beurteilen bzw. zu erfassen, wenn einmal beurteilt wurde, dass die Differenz zwischen den Kathodendruckwerten kleiner oder gleich dem Grenzwert ist, wie obenstehend beschrieben, auch möglich, eine Konfiguration bereitzustellen, in welcher das Stoppen des Betriebs und der Neustart bzw. die Inbetriebnahme des Brennstoffzellenstapels
22 wiederholt werden, und eine Zählerschaltung (nicht dargestellt) jedes Mal erhöht wird, wenn der Betriebsdefekt während einer Mehrzahl von Beurteilungsoperationen beurteilt wird. Wenn der Wert der Zählerschaltung einen vorbestimmten Wert (z. B. 10) erreicht, wird beurteilt, dass sich die Vorrichtung im Betriebsdefektzustand befindet, und der Nutzer bzw. Anwender kann vom Betriebsdefekt des Oxidationsgaszuführabstellventils bzw. Oxidationsgaszuführventils32 und/oder des Oxidationsgasauslassabstellventils bzw. Oxidationsgasauslassventils34 durch die Benachrichtigungsvorrichtung130 benachrichtigt werden. Zusätzlich ist es möglich, eine Konfiguration bereitzustellen, in welcher während des Prozesses der Erhöhung bzw. schrittweisen Erhöhung der Zählerschaltung, wenn es auftritt, dass die Differenz der Druckwerte größer oder gleich dem Grenzwert ist, d. h. die Beurteilung von keinem Betriebsdefekt mehrmals wiederholt wird, beurteilt wird, dass es keinen Betriebsdefekt im Oxidationsgaszuführabstellventil32 und dem Oxidationsgasauslassabstellventil34 gibt, und der Zählwert der Zählerschaltung gelöscht wird. Mittels einer solchen Konfiguration ist es möglich, den Betriebsdefekt des Oxidationsgaszuführabstellventils32 und des Oxidationsgasauslassabstellventils34 genauer zu erfassen, und den Nutzer bzw. Anwender über das Ergebnis zu benachrichtigen.
Claims (2)
- Brennstoffzellensystem (
10 ) aufweisend: ein Oxidationsgaszuführventil (32 ), das an einem Durchflussweg (37 ) zum Zuführen von Oxidationsgas, das Luft ist, zu einem Brennstoffzellenstapel (22 ) vorgesehen ist; ein Oxidationsgasauslassventil (34 ), das an einem Durchflussweg (39 ) zum Auslassen des Oxidationsgases vom Brennstoffzellenstapel (22 ) vorgesehen ist; eine Druckerfassungseinheit (23 ), welche einen Kathodendruckwert erfasst, welcher ein Druck in einem Durchflussweg (38 ) zwischen dem Oxidationsgaszuführventil (32 ) und dem Oxidationsgasauslassventil (34 ) ist, und einen Oxidationsgasdurchflussweg (38 ) im Brennstoffzellenstapel (22 ) umfasst; und einen Stopp-Prozessor, welcher das Oxidationsgaszuführventil (32 ) und das Oxidationsgasauslassventil (34 ) schließt, wenn ein Betrieb des Brennstoffzellenstapels (22 ) gestoppt wird; das Brennstoffzellensystem (10 ) ist dadurch gekennzeichnet, dass es weiter aufweist: eine Beurteilungseinheit, welche einen Betriebsdefekt des Oxidationsgaszuführventils (32 ) und des Oxidationsgasauslassventils (34 ) basierend auf einem Stoppzeit-Kathodendruckwert, wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels (22 ) gestoppt wird, und einem Inbetriebnahme-Kathodendruckwert, wenn der Brennstoffzellenstapel (22 ) wieder in Betrieb genommen wird, nachdem der Betrieb des Brennstoffzellenstapels (22 ) gestoppt worden ist, beurteilt, wobei die Beurteilungseinheit die Betriebsdefektbeurteilung ausführt, wenn eine Zeitdauer von dem Zeitpunkt an, wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels (22 ) gestoppt wird, bis zu dem Zeitpunkt, wenn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels (22 ) wieder aufgenommen wird, nachdem der Betrieb des Brennstoffzellenstapels (22 ) gestoppt worden ist, größer oder gleich einer gesamten Zeitdauer aus einer Zeitdauer ist, in welcher ein Kathodendruckwert aufgrund einer Reaktion des Brenngases, das von der Anodenseite zur Kathodenseite wandert, und des verbleibenden Sauerstoffs im Oxidationsgas auf der Kathodenseite reduziert wird, einer Zeitdauer, in welcher der Kathodendruckwert aufgrund des auf der Kathodenseite vorhandenen Brenngases, nachdem der verbleibende Sauerstoff im Oxidationsgas verbraucht ist, vorübergehend angehoben wird, und einer Zeitdauer, in welcher der Kathodendruckwert aufgrund einer Reduzierung von im Oxidationsgas verbleibendem Stickstoff reduziert wird. - Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Beurteilungseinheit beurteilt, dass sich das Oxidationsgaszuführventil (
32 ) und/oder das Oxidationsgasauslassventil (34 ) sich im Betriebsdefektzustand befinden, wenn ein Wert, der durch Subtrahieren des Inbetriebnahme-Kathodendruckwertes vom Stoppzeit-Kathodendruckwert erhalten wird, kleiner oder gleich einem vorbestimmten Grenzwert ist.
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